Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật cơ điện tử: Nghiên cứu điều khiển hệ thống vận chuyển có nhiều trạm

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS Võ Tường Quân

Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS.TS Lê Mỹ Hà

Cán bộ chấm nhận xét 2: PGS.TS Nguyễn Thanh Phương

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 27 tháng 06 năm 2022

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

1 PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến : Chủ tịch hội đồng 2 PGS.TS Lê Mỹ Hà : Cán bộ phản biện 1 3 PGS.TS Nguyễn Thanh Phương : Cán bộ phản biện 2

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên : PHÙNG HUY VŨ MSHV : 2070308

Ngày, tháng, năm sinh : 12/02/1997 Nơi sinh : Lâm Đồng Chuyên ngành : Kỹ thuật Cơ Điện Tử Mã số : 8520114

I TÊN ĐỀ TÀI : NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG VẬN CHUYỂN CÓ NHIỀU TRẠM – STUDY ON CONTROL OF TRANSPORTATION SYSTEM WITH MANY STATIONS

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG :

1 Tìm hiểu về các hệ thống vận chuyển thực tế tại Việt Nam và trên Thế giới 2 Nghiên cứu đề xuất 01 sa bàn đối với 01 trường hợp vận chuyển thực tế Sa bàn

yêu cầu thuộc dạng ray dẫn

3 Xác định số lượng xe vận chuyển cần thiết tương ứng với sa bàn đã đề xuất 4 Xây dựng giải thuật điều phối việc vận chuyển để giảm tổng thời gian thực hiện 5 Phân tích dữ liệu mô phỏng và đánh giá kết quả

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 18/02/2022

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 13/06/2022

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : PGS.TS VÕ TƯỜNG QUÂN

PGS.TS Nguyễn Hữu Lộc

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên, em muốn gửi lời cảm ơn chân thành tới tất cả các Thầy cô trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh đã giảng dạy và truyền đạt kiến thức cho em

Chúng em cũng xin chân thành cảm ơn tới Thầy PGS.TS Võ Tường Quân Trong suốt quá trình nghiên cứu và học tập, Thầy đã hướng dẫn, trợ giúp và động viên em rất nhiều

Em xin cảm ơn Ban Giám Hiệu nhà trường, phòng đào tạo sau đại học đã hỗ trợ công tác đào tạo trong suốt thời gian em học tập tại đây

Cuối cùng, em xin cảm ơn gia đình và bạn bè đã luôn sát cánh bên em, chia sẻ cùng em tinh thần và thời gian để giúp em hoàn thành luận án

Xin tri ân tất cả!

Tp Hồ Chí Minh, ngày 12 tháng 6 năm 2022 Người thực hiện

Phùng Huy Vũ

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Cùng với sự phát triển của các ngành khoa học kĩ thuật thì việc ứng dụng các công nghệ kỹ thuật vào trong công nghiệp ngày càng trở nên quan trọng và phổ biến Việc nghiên cứu, phát triển các mô hình AMHS nhằm mục đích thay thế các quy trình vận hành thủ công bằng phương pháp tự động hóa, góp phần nâng cao năng suất lao động, giảm chi phí và đem lại hiểu quả to lớn trong sản xuất công nghiệp

Ở Việt Nam, phần lớn việc vận chuyển hàng hóa trong các phân xưởng chủ yếu là do công nhân thực hiện, việc di chuyển bằng sức người có hạn và bị tác động bởi nhiều lý do khách quan và chủ quan

Các mô hình này ở nước ngoài đã phát triển và có từ rất lâu nhưng các công ty nước ngoài hiện tại chỉ hỗ trợ cho các hệ thống lớn

Vì nhu cầu thiết thực trên nên luận văn này tập trung nghiên cứu giải thuật điều khiển hệ thống vận chuyển qua nhiều trạm phục vụ việc vận chuyển hàng hóa trong nhà máy, nhà kho, … bằng ray dẫn Hiệu quả của giải thuật được đánh giá, chứng minh qua kết quả mô phỏng

ABSTRACT

With the development of science and technology, the application of engineering technology to industry becomes more important and widespread The research and development of AMHS in order to replace manual operation processes with automation contributes to increasing labor productivity, reducing costs, and giving impressive results to industrial manufacturing

In Vietnam, most of the freight forwarding activities in manufactures are implemented by workers, the human-powered transport is limited and is impacted by many objective and subjective reasons

These model in other countries has developed for a long time and but now in Vietnam, foreign companies have just supported complex systems

Based on these practical demands, this thesis focuses on studying the algorithm to control the transportation system with many stations serving the transportation of goods in factories, and warehouses, by guided rails The effectiveness of the algorithm is evaluated and proven through simulation results

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn “Nghiên cứu điều khiển hệ thống vận chuyển có nhiều trạm” là công trình nghiên cứu khoa học của riêng tôi Tất cả tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc rõ ràng, được công bố theo đúng quy định và được trích dẫn đầy đủ Nội dung của luận văn do tôi nghiên cứu một cách trung thực, khoa học

Tp Hồ Chí Minh, ngày 12 tháng 6 năm 2022 Người cam đoan

Phùng Huy Vũ

1.1.1 Quy trình vận chuyển hàng hóa trong các nhà kho, công xưởng 1

1.1.2 Những phương pháp vận chuyển hàng hóa 4

1.1.3 Hệ thống vận chuyển sử dụng ray dẫn 8

1.1.4 Lý do chọn đề tài 11

1.2 Các khái niệm về quản lý hệ thống vận chuyển 12

1.2.1 Khái niệm về quản lý xe tự hành 12

1.2.2 Deadlock 13

1.2.3 Số lượng AGV 14

1.2.4 Điều phối 14

1.2.5 Hoạch định tuyến đường 15

1.3 Mục tiêu, nhiệm vụ và phạm vi luận văn 16

1.3.1 Mục tiêu của luận văn 16

1.3.2 Nhiệm vụ luận văn 16

1.3.3 Phạm vi luận văn 16

CHƯƠNG 2:ĐỀ XUẤT MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU 17

2.1 Tình hình nghiên cứu đề tài liên quan 17

2.1.1 Thiết kế hệ thống ray dẫn 17

2.1.2 Xác định số lượng phương tiện 19

2.1.3 Quản lý hệ thống 20

2.2 Kết luận 22

2.3 Đề xuất mô hình nghiên cứu và phương pháp thực hiện 23

2.3.1 Đề xuất mô hình nghiên cứu 23

3.4.1 Tránh deadlock khi giao việc 33

3.4.2 Giải quyết tranh chấp khi bị chiếm chỗ 36

CHƯƠNG 4:MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 40

4.1 Mô phỏng 40

4.1.1 Thiết lập môi trường mô phỏng 40

4.1.2 Kết quả mô phỏng 41

4.2 Đánh giá kết quả 49

CHƯƠNG 5:TỔNG KẾT VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 50

5.1 Tổng kết 50

5.2 Hướng phát triển đề tài 50

TÀI LIỆU THAM KHẢO 51

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Lưu trữ hàng hóa theo các giá [1] 2

Hình 1.2 Vận chuyển hàng bằng băng chuyền [3] 5

Hình 1.3 Vận chuyển bằng AGV [4] 6

Hình 1.4 AGV vận chuyển [5] 7

Hình 1.5 Hệ thống sắp xếp nguyên liệu tại Narendrakumar & Co [6] 8

Hình 1.6 Hệ thống vận chuyển trên cao [7] 9

Hình 1.7 Hệ thống MSH4 CR đủ tiêu chuẩn làm việc trong phòng sạch [8] 9

Hình 1.8 Cung cấp nguyên liệu cho dây chuyền sản xuất [6] 10

Hình 1.9 Chuyển giao công việc giữa các quy trình [6] 10

Hình 1.10 Cung cấp và thu thập pallet cho tay máy [6] 10

Hình 1.11 Vận chuyển hàng hóa trong kho lạnh [6] 10

Hình 1.12 Dự báo sự phát triển của thị trường AMH [9] 11

Hình 3.1 Giai đoạn thực hiện công việc 24

Hình 3.2 Quy trình tính toán khi có công việc được giao 25

Hình 3.3 Mặt sàn nhà kho dự kiến 27

Hình 3.4 Bố trí sa bàn bằng các điểm toạ độ theo các đoạn ray 27

Hình 3.5 Mô hình chung 28

Hình 3.6 Sơ đồ tính toán điều phối công việc 31

Hình 3.7 Giải thuật Hungarian 32

Hình 3.8 Trường hợp deadlock 33

Hình 3.9 Deadlock do chờ tải hàng 34

Hình 3.10 Điều kiện xác định là deadlock 35

Hình 3.11 Giải thuật giảm thiểu deadlock 36

Hình 3.12 Hiện tượng tranh chấp 36

Hình 3.13 Các trường hợp tranh chấp 38

Hình 3.14 Giải thuật giải quyết tranh chấp 39

Hình 4.1 Sơ đồ sa bàn được vẽ bằng Matlab 40

Hình 4.2 Trường hợp có thể tạo deadlock do điều phối chưa hợp lý 42

Hình 4.3 Kết quả của trường hợp deadlock 43

Hình 4.4 Đồ thị so sánh giữa có xử lý và không xử lý deadlock 43

Hình 4.5 Các tình huống chiếm vị trí 45

Hình 4.6 Ví dụ xử lý chiếm chỗ ngay tại vị trí giao hàng 45

Hình 4.7 Xử lý trường hợp phương tiện bị chiếm tại vị trí giao hàng 45

Hình 4.8 Thời gian thực hiện công việc khi thay đổi 𝑤1 và số phương tiện 46

Hình 4.9 Tổng quãng đường khi thay đổi 𝑤1 và số phương tiện 47

Hình 4.10 Kết quả mô phỏng với 𝑤1 = 0.7 48

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Bảng so sánh vận chuyển bằng ray và phương pháp truyền thống 7

Bảng 1.2 Bảng so sánh vận chuyển bằng ray và AGV 8

Bảng 2.1 Bảng so sánh đặc trưng theo các kiểu ray 19

Bảng 2.2 Ưu điểm và nhược điểm các kiểu ray 19

Bảng 3.1 Bảng mô tả dữ liệu cho công việc 25

Bảng 3.2 Bảng mô tả dữ liệu cho trạm 25

Bảng 3.3 Bảng mô tả dữ liệu cho phương tiện 26

Bảng 3.4 Thông số sa bàn 26

Bảng 4.1 Bảng quy đổi thời gian giữa các sự kiện 40

Bảng 4.2 Dữ liệu công việc để mô phỏng 41

Bảng 4.3 Công việc để kiểm tra tránh Deadlock 41

Bảng 4.4 Bảng chỉnh định công việc khi kiểm tra tránh Deadlock 42

Bảng 4.5 Bảng thời gian thực hiện với mỗi trường hợp 46

Bảng 4.6 Bảng thời tổng quãng đường di chuyển với mỗi trường hợp 47

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

AMHS Automated Material Handling Systems

MFCFS Modified First Come First Serve

MODFCFS Modified First Come First Serve

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Chương này đưa ra các phương pháp vận chuyển và quy trình vận chuyển hàng hóa trong công nghiệp hiện tại trên thế giới và Việt Nam Kế tiếp là so sánh các phương pháp này nhằm đưa ra hướng đi cho luận văn và các vấn đề cần giải quyết

1.1 Tính cấp thiết và lý do chọn đề tài

Ngày nay, vấn đề vận chuyển và phân phối các sản phẩm trong các kho hàng, nhà máy, bệnh viện, … ngày càng được quan tâm và phát triển Các hệ thống tự động thay thế việc làm cho con người nhằm giảm chi phí quản lý, sai sót trong quá trình hoạt động Vì thế luận văn đưa ra tổng quan về các phương pháp vận chuyển và quy trình vận chuyển hiện tại Kế tiếp là so sánh, đưa ra các hướng đi cho luận văn và các vấn đề cần giải quyết

1.1.1 Quy trình vận chuyển hàng hóa trong các nhà kho, công xưởng

1.1.1.1 Giai đoạn nhận hàng [1]

Nhận hàng là quá trình nhập kho đầu tiên và là một trong những khâu quan trọng nhất Để thực hiện đúng quy trình nhận hàng, nhà kho phải có khả năng xác minh rằng họ đã nhận được đúng sản phẩm, đúng số lượng, đúng tình trạng và đúng thời điểm Nếu không làm như vậy sẽ có ảnh hưởng đến tất cả các hoạt động tiếp theo

Việc nhận hàng cũng liên quan đến việc chuyển giao trách nhiệm đối với hàng hóa đến kho Điều này đặt ra trách nhiệm của nhà kho trong việc duy trì tình trạng của hàng hóa cho đến khi chúng được vận chuyển Nhận hàng đúng cách sẽ cho phép bạn lọc ra những hàng hóa bị hư hỏng và tránh được trách nhiệm đối với chúng

Để tối ưu hóa trong việc nhận hàng, giúp nhận hàng một cách hiệu quả, chính xác và tránh tích tụ tại các bến nhận hàng Các giải pháp như xe nâng điện và băng tải sẽ cho phép việc bốc dỡ hàng hóa và dọn dẹp các khu cảng hàng nhanh hơn và hiệu quả hơn Ngoài ra, có thể áp dụng máy đo kích thước tự động để tự động hóa việc nắm bắt kích thước của bưu kiện và pallet để tăng tốc quá trình nhận hàng

1.1.1.2 Giai đoạn di chuyển hàng đến nơi lưu trữ

Giai đoạn này là quy trình thứ hai trong kho và là quy trình di chuyển hàng từ bến nhận hàng đến vị trí lưu kho tối ưu nhất Việc không đặt hàng hóa ở vị trí lý tưởng nhất của chúng có thể làm giảm năng suất hoạt động của nhà kho Khi hàng hóa được cất đi đúng cách sẽ có các lợi ích [2]:

- Hàng hóa được lưu trữ nhanh hơn và hiệu quả hơn - Thời gian vận chuyển được giảm thiểu

- Đảm bảo an toàn hàng hóa và nhân viên

- Việc sử dụng không gian nhà kho được tối đa hóa

- Việc tìm kiếm, theo dõi và truy xuất hàng hóa dễ dàng và nhanh chóng hơn Để tối ưu quy trình di chuyển hàng, nhằm đảm bảo hàng hóa được di chuyển đến vị trí lưu trữ tối ưu nhất, nhanh chóng nhất và hiệu quả nhất Việc sử dụng các phần mềm quản lý không gian tự động chỉ định không gian tối ưu cho mỗi loại hàng hóa để cho phép quá trình xếp dỡ hợp lý và tối đa hóa việc sử dụng không gian kho

1.1.1.3 Giai đoạn lưu trữ

Hình 1.1 Lưu trữ hàng hóa theo các giá [1]

Lưu trữ là giai đoạn mà hàng hóa được đặt vào không gian lưu trữ thích hợp nhất của chúng Khi được thực hiện đúng cách quy trình lưu trữ sẽ tối đa hóa không gian sẵn có trong nhà kho và tăng hiệu quả lao động

Việc tối ưu hóa quy trình lưu trữ chỉ có thể thực hiện được khi các KPI phù hợp được theo dõi đúng cách Việc có một phần mềm tự động thực hiện tính toán việc sử dụng kho lưu trữ và theo dõi KPI lưu trữ phù hợp sẽ cho phép công ty xác định được mức độ hiệu quả của từng khía cạnh trong quy trình lưu trữ

1.1.1.4 Giai đoạn bốc hàng

Bốc hàng là giai đoạn thu thập các sản phẩm trong kho để thực hiện đơn đặt hàng của khách hàng Vì đây là quy trình tốn kém nhất trong kho hàng, chiếm tới 55% tổng chi phí hoạt động, nên việc tối ưu hóa quy trình này sẽ cho phép các công ty giảm chi phí đáng kể và tăng hiệu quả sử dụng kho hàng của mình Việc hợp lý hóa quy trình này cũng nên tập trung vào việc đạt được độ chính xác cao hơn, vì sai sót có thể ảnh hưởng trực tiếp đến sự hài lòng của khách hàng [1]

Để cải thiện việc bốc hàng, các công nghệ như thiết bị di động hoặc các thiết bị điện tử cho phép nhân viên bán hàng xem danh sách sản phẩm để giao cho khách, truy cập hệ thống thời gian thực và quản lý được mọi hàng hóa trong kho, từ đó chọn phương pháp lấy hàng phù hợp với từng loại sản phẩm và sử dụng phần mềm để hướng dẫn nhân viên thực hiện đúng quy trình lấy hàng

1.1.1.5 Đóng gói

Là quy trình nhà kho tổng hợp các mặt hàng đã chọn trong một đơn đặt hàng và chuẩn bị chúng để vận chuyển cho khách Một trong những nhiệm vụ chính của đóng gói là đảm bảo giảm thiểu thiệt hại kể từ khi các mặt hàng rời khỏi nhà kho Ngoài ra, bao bì phải đủ nhẹ để không làm tăng trọng lượng của hàng hóa và giảm thiểu chi phí đóng gói nhưng vẫn đảm bảo an toàn cho hàng hóa bên trong

Việc tối ưu quy trình đóng gói có thể được thực hiện bằng cách sử dụng phần mềm để hướng dẫn mọi người thực hiện các nhiệm vụ Với điều kiện hệ thống đóng gói có tất cả các dữ liệu cần thiết, chẳng hạn như kích thước và trọng lượng, hệ thống

có thể tự xác định loại và số lượng vật liệu đóng gói sẽ giữ cho mặt hàng được an toàn và chi phí đóng gói thấp

1.1.1.6 Chuyển hàng cho khách

Việc vận chuyển hàng cho khách là quá trình cuối cùng của việc xuất – nhập hàng hóa trong kho, là nơi bắt đầu hành trình vận chuyển hàng hóa từ kho đến tay khách hàng Việc vận chuyển chỉ được coi là thành công nếu đơn hàng được sắp xếp và tải đúng, được gửi đến đúng khách hàng, đi đúng phương thức vận chuyển và được giao một cách an toàn và đúng giờ [1]

Để đảm bảo việc chuyển hàng cho khách, cần thiết lập một phần mềm gán từng mã khách hàng lên các lô hàng của khách hàng đó, nhằm giảm thiểu việc giao lộn hàng và đưa ra hướng dẫn chỉ dẫn rõ ràng cách xếp hàng an toàn và hiệu quả đối với từng lô, từng loại sản phẩm của khách

1.1.2 Những phương pháp vận chuyển hàng hóa

Dựa trên quy trình vận chuyển hàng hóa trong nhà kho như đã trình bày ở trên Sau đây là các hình thức vận chuyển đang được sử dụng trong nhà kho

1.1.2.1 Vận chuyển bằng xe đẩy hàng

Xe đẩy hàng ra đời hỗ trợ rất lớn trong công tác vận chuyển hàng hóa của con người Chúng hiện diện ở khắp mọi nơi từ bệnh viện, trường học, nhà hàng đến bến xe, bến tàu, công xưởng, …Tuy là được sử dụng phổ biến nhưng khi áp dụng vào các không gian rộng lớn như các nhà kho của các xí nghiệp lớn thì phương pháp này còn rất nhiều hạn chế như:

- Tốc độ di chuyển thấp

- Lượng hàng hóa vận chuyển mỗi lần không cao - Có nguy cơ hàng rơi khỏi xe khi vận chuyển

1.1.2.2 Sử dụng băng tải, băng chuyển

Hình 1.2 Vận chuyển hàng bằng băng chuyền [3]

Băng chuyền công nghiệp là thiết bị được dùng để di chuyển hàng hóa, vật liệu từ nơi này đến nơi khác, là một bộ phận phổ biến trong các dây chuyền sản xuất, đặc biệt hữu ích và có tính kinh tế cao thường được sử dụng trong các ngành ứng dụng liên quan đến việc vận chuyển vật liệu công kềnh, nặng với mọi khoảng cách

Ưu điểm:

- Vận chuyển hàng hóa với khối lượng rất lớn

- Tính cơ động ở nhiều loại địa hình cộng với sự chắc chắn trong cấu trúc - Vận chuyển được liên tục, tiết kiệm được thời gian và nhân công

- Có thể nâng hạ được, cho phép hàng hóa di chuyển từ thấp đến cao hoặc ngược lại

Nhược điểm:

- Không vận chuyển được theo đường cong, cần bố trí thêm động cơ và khung

băng để đổi hướng

- Khó thay đổi vị trí công tác

- Thiết kế chỉ để phục vụ công việc có khối lượng đã chọn sẵn

1.1.2.3 Sử dụng AGV

AGV là phương tiện không người lái được sử dụng để di chuyển vật liệu hiệu quả trong các nhà xưởng, dây chuyền sản xuất, hệ thống kho vật tư, sản phẩm và hàng hóa

AGV giúp thay thế các phương tiện trong chuỗi cung ứng vật liệu vận hành thủ công như xe nâng tay, xe nâng forklift, xe đẩy tay, xe kéo, …

Hình 1.3 Vận chuyển bằng AGV [4] Ưu điểm:

- Vận chuyển hàng hóa với khối lượng rất lớn - Độ tin cậy cao

- Linh hoạt với các điểm giao - nhận

Nhược điểm:

- Cần không gian hoạt động lớn - Khó di chuyển giữa các toà nhà - Chi phí đầu tư ban đầu cao

Mặc dù tính ứng dụng của AGV là rất lớn, nhưng trong môi trường chật hẹp nhiều người qua lại, việc ứng dụng AGV vào việc vận chuyển là bất khả thi Ngày nay, dù thuật toán có tiên tiến, phần cứng của các cảm biến, vi xử lý có được cải thiện nhưng vẫn chưa đủ để AGV có thể xử lý thông tin tránh va chạm một cách liên tục và dồn dập khi có nhiều người di chuyển qua lại

1.1.2.4 Sử dụng hệ thống ray dẫn Ưu điểm:

- Di chuyển ổn định trên hệ thống cố định - Có thể di chuyển 3 chiều trong không gian - Di chuyển linh hoạt giữa các trạm

- Thời gian hoạt động 24/7

Nhược điểm:

- Chi phí ban đầu lớn

Hệ thống vận chuyển được chia thành các trạm nhỏ kiểm soát các xe vận chuyển thuốc qua các trạm, ngoài giám sát các xe này thì các trạm này còn có chức năng thay đổi ray định vị để tùy biến điểm tới của xe

Hình 1.4 AGV vận chuyển [5]

So sánh các phương pháp

Bảng 1.1 Bảng so sánh vận chuyển bằng ray và phương pháp truyền thống

Hệ thống vận chuyển bằng ray Vận chuyển truyền thống

Vốn đầu tư ban đầu cao, chi phí vận hành thấp

Chi phí vận hành ngày càng lớn; yêu cầu thang máy; cơ sở hạ tầng cao; không gian làm việc

Có thể tăng khả năng vận chuyển thông qua các trạm và xe

Thời gian chờ đợi trong giờ cao điểm bị kéo dài

Giảm thiểu rủi ro trong quá trình vận chuyển

Các nguy cơ, rủi ro ảnh hưởng trực tiếp ví dụ như: thang máy, xe đẩy, …

Không mất mát do trộm cắp Không có giám sát quá trình

Bảng 1.2 Bảng so sánh vận chuyển bằng ray và AGV

Hệ thống vận chuyển bằng ray Vận chuyển bằng AGV

Vốn đầu tư ban đầu cao, chi phí vận hành thấp

Vốn đầu tư ban đầu cao, khó sửa chữa khi gặp hư hỏng

Hệ thống vận chuyển sử dụng ray dẫn có thể sử dụng trong không gian lớn với yêu cầu công việc lớn Cụ thể là được ứng dụng trong nhà máy sản xuất gia vị Narendrakumar & Co, để sắp xếp nguyên liệu với 2160 vị trí pallet trong nhà máy rộng 220000 𝑚2 được công ty DAIFUKU nghiên cứu và phát triển

Hình 1.5 Hệ thống sắp xếp nguyên liệu tại Narendrakumar & Co [6]

Hệ thống ray dẫn có thể linh hoạt di chuyển tới các vị trí khác nhau, thực hiện nhiều tác vụ đối với một đối tượng, ví dụ như giúp luân chuyển các chi tiết tới các vị

trí gắn máy gia công cố định để tiếp tục thực hiện các bước tiếp theo trong quá trình sản xuất Dưới đây là hệ thống vận chuyển linh kiện để lắp ra tủ lạnh trong dây chuyển lắp ráp của công ty LG Electronics tại Mexico khi sử dụng hệ thống treo thay vì cho hệ thống AGV chạy trên mặt đất Hệ thống này tải một tủ lạnh và đi tới các vị trí quy định nhằm lắp ra tự động và xử lý tương ứng Loại dây chuyền này đã mang lại hiệu quả đang kể với số lượng có thể tới 1000 thiết bị vận chuyển hoạt động cùng lúc [7]

Hình 1.6 Hệ thống vận chuyển trên cao [7]

Đặc biệt, hệ thống còn có thể hoạt động trong các môi trường làm việc yêu cầu khắt khe như phòng sạch, sản xuất linh kiện bán dẫn, tấm wafer, các sản phẩm y tế, … và hạn chế tối đa sai sót do con người có thể gây ra Như sản phẩm của công ty Montratec đã được viện Fraunhofer chứng thực khi có thể mang trọng lượng tới 30kg mà và đều đạt các chỉ số chứng nhận là phù hợp làm việc trong phòng sạch [8]

Hình 1.7 Hệ thống MSH4 CR đủ tiêu chuẩn làm việc trong phòng sạch [8]

Vậy qua các ứng dụng và đặc trưng của hệ thống vận chuyển bằng ray dẫn, ta nhận thấy những ưu điểm mà hệ thống này có thể đem lại phục vụ cuộc sống của con người với đa dạng các ứng dụng có thể sử dụng, từ việc sắp xếp hàng hóa cho tới các ứng dụng yêu cầu khắt khe và chính xác như lắp ráp linh kiện, sản xuất các thiết bị bán dẫn trong phòng sạch, …

Một số ứng dụng khác mà hệ thống vận chuyển bằng ray dẫn được sử dụng

Hình 1.8 Cung cấp nguyên liệu cho dây

chuyền sản xuất [6]

Hình 1.9 Chuyển giao công việc giữa

các quy trình [6]

Hình 1.10 Cung cấp và thu thập pallet

cho tay máy [6]

Hình 1.11 Vận chuyển hàng hóa trong

kho lạnh [6]

Hiện nay, nhu cầu sử dụng hệ thống vận chuyển bằng ray dẫn đang tăng theo sự phát triển của các nhà máy sản xuất linh kiện bán dẫn, hệ thống sắp xếp hàng hóa trong nhà kho, … Theo báo cáo của Fortune Busines Sinsights thì quy mô của thị trường thiết bị AMH là 35,80 tỷ USD vào năm 2019 và dự kiến đạt 56,61 tỷ USD vào năm 2027 [9]

Mặc dù có nhiều ưu điểm về lợi ích kinh tế, khả năng áp dụng, mở rộng, … nhưng hệ thống có nhược điểm chính là phải đầu tư lớn ở giai đoạn đầu, các chi phí liên quan chủ yếu là lắp đặt, tích hợp các cảm biến thông minh, các giải pháp phần mềm cũng như việc chuyển đổi số trong các doanh nghiệp

Hình 1.12 Dự báo sự phát triển của thị trường AMH [9]

Nhưng tổng kết lại hiện nay hệ thống vận chuyển bằng ray dẫn được áp dụng rất nhiều trong các nhà máy, nhà kho bởi các yếu tố như dễ dàng mở rộng, có thể làm việc trong nhiều dạng môi trường từ nhà xưởng tới môi trường khắt khe như phòng sạch Hơn nữa, có thể giải quyết lượng công việc lớn đem lại hiệu quả kinh tế cao Vì thế phát triển hệ thống vận chuyển ray dẫn là một đề tài đáng để nghiên cứu và phát triển

1.1.4 Lý do chọn đề tài

Như đã nêu ở mục trên thì có rất nhiều lý do và động lực để phát triển hệ thống vận chuyển bằng ray dẫn Bên cạnh đó hiện nay ở nước ta vẫn chủ yếu dựa vào lực lượng lao động dồi dào mà chưa áp dụng nhiều tự động hóa vào các hoạt động vận chuyển trong kho ở một số lĩnh vực có tiềm năng rất lớn như: nhà máy sản xuất, bệnh viện, …

Ngoài ra tầm quan trọng của việc bố trí, vận chuyển vật liệu trong nhà máy chiếm tới 20% tổng chi phí vận hành [10], thì việc cải thiện hệ thống vận chuyển sẽ đem lại lợi ích to lớn cho doanh nghiệp

Nắm bắt tình hình, mong muốn nâng cao năng suất lao động cho ngành công nghiệp nước nhà chính là động lực của đề tài để phát triển một hệ thống vận chuyển nhiều trạm có thể giải quyết một số nhu cầu trên

Kế thừa các nghiên cứu về thiết kế và điều khiển của các đề tài trước Luận văn xác định sẽ đi giải quyết vấn đề điều khiển với đề tài: “Nghiên cứu điều khiển hệ thống vận chuyển trang thiết bị có nhiều trạm” với hệ thống được dẫn hướng theo ray dẫn

1.2 Các khái niệm về quản lý hệ thống vận chuyển

Mặc dù luận văn hướng tới đối tượng là xe tự hành theo ray dẫn nhưng vẫn cần tuân theo một số yêu cầu khi quản lý xe tự hành (AGV)

1.2.1 Khái niệm về quản lý xe tự hành

AGV/OHT giúp giảm thiểu nguồn nhân lực, chi phí lao động và tăng năng suất cho khâu sản xuất cũng như vận chuyển Từ những thuận lợi đó, AGV ngày càng chiếm vị trí quan trọng lĩnh vực vận chuyển thúc đấy sự nghiên cứu và phát triển về AGV ngày càng nhiều

Khi công việc vận chuyển bắt đầu, các mốc thời gian khi AGV thực hiện một công việc bao gồm:

- Full travel time: Tổng thời gian chạy có tải của AGV (loading time) từ lúc AGV ở vị trí nhận hàng và di chuyển đến vị trí mong muốn

- Empty travel time: Tổng thời gian chạy không tải của AGV (unloading time) từ vị trí hiện tại của AGV di chuyển vị trí nhận hàng

- Blocking time: Thời gian AGV bị chặn bởi các AGV khác khi di chuyển

- Working time: Tổng thời gian cho AGV hoàn thành công việc bao gồm: Full travel time, empty travel time, blocking time, waiting time

- Idle time: Thời gian nhàn rỗi của AGV chờ đến khi nhận nhiệm vụ mới

Dựa vào các mốc thời gian của AGV khi thực hiện công việc, việc quản lý AGV là cần thiết đối với các hệ thống vận hành đòi hỏi nhiều AGV thực hiện cùng lúc Hệ thống cần có đáp ứng các yêu cầu sau:

- Khả năng dẫn hướng các AGV

- Quản lý giao thông để tránh deadlock xảy ra

- Xác định số lượng AGV cần thiết khi thực hiện tác vụ - Điều phối AGV hợp lý để thực hiện tác vụ

- Hoạch định đường đi và lên lịch trình cho AGV

1.2.2 Deadlock

Hình 1.13 Một số trường hợp deadlock [11]

Deadlock là trường hợp giao thông bị tắc nghẽn khi các AGV bị chặn lẫn nhau và

không thể di chuyển được nữa (Hình 1.13) Trong suốt quá trình vận hành, deadlocks

và sự va chạm giữa các AGV nhận biết và giải quyết bằng cách lên tuyến đường khác cho AGV hoặc có thể tiên đoán và tránh các trường hợp xảy ra deadlocks Việc nhận biết và giải quyết các deadlocks và va chạm xảy ra đạt hiệu suất thấp hơn do đó việc tiên đoán và tránh các deadlocks và va chạm thường được xây dựng cho hệ thống Có 3 cách thường dùng để tránh deadlock xảy ra [11]:

- Xây dựng layout tránh deadlocks và va chạm giữa các AGV - Phân vùng làm việc thành nhiều vùng không bị trùng với nhau

- Giải thuật hoạch định và lên lịch trình cho AGV di chuyển để tránh deadlocks và va chạm xảy ra

Việc tránh deadlocks và va chạm xảy ra cần được tính toán cẩn thận Vì khi có sự cố xảy ra, hệ thống buộc phải dừng lại gây ảnh hưởng đến toàn bộ năng suất của hệ thống Giải thuật hoạch định và lên lịch trình cho AGV di chuyển sẽ được xem xét ở phần sau

1.2.3 Số lượng AGV

Số lượng AGV tối thiểu cần cho hệ thống phải được xác định để các tác vụ được thực hiện có hiệu quả Khi số lượng AGV quá nhiều có thể dẫn đến tắc nghẽn giao thông Việc xác định số lượng AGV tối thiểu cần xem xét các yếu tố như sau [12]:

- Số tác vụ cần được thực hiện

- Các tác vụ có thể hoặc cần được thực hiện tại một thời điểm - Khả năng tải của AGV

- Vận tốc của AGV - Chi phí của hệ thống - Layout của hệ thống

- Giải thuật dispatching AGV - Số vị trí pick-up và delivery

Một số phương pháp xác định số lượng AGV:

- Đánh giá dựa trên tổng thời gian Working của AGV Tăng dần số lượng AGV cho đến khi thời gian thu được là hằng số

- Giảm thiểu Empty travel time hoặc Blocking time - Giảm thiểu Idle time và Waiting time

1.2.4 Điều phối

Hệ thống đóng vai trò trung tâm để thực hiện việc điều phối AGV (Dispatching) với mục tiêu đảm bảo việc điều phối AGV hợp lý để nâng cao hiệu quả công việc Một hệ thống có thể được vận hành bởi nhiều AGV và nhiều vị trí trung tâm nơi các AGV cần di chuyển đến để thực hiện tác vụ (workcentre) Dispatching là luật được sử dụng

để lựa chọn AGV phù hợp nhất để thực hiện tác vụ vận chuyển, bao gồm 2 vấn đề cần được xem xét [12]:

- Khi một workcentre sẵn sàng thực hiện tác vụ, AGV phù hợp sẽ được chỉ định để thực hiện tác vụ đó (workcentre initiated dispatching)

- Khi AGV chuyển sang trạng thái nhàn rỗi (idle), một workcentre phù hợp sẽ được chọn để AGV di chuyển đến và thực hiện tác vụ (vehicle initiated dispatching)

Các luật có thể áp dụng khi chỉ định AGV làm việc:

- Chọn ngẫu nhiên AGV

- Chọn AGV có khoảng cách xa nhất so với workcentre - Chọn AGV có khoảng cách gần nhất so với workcentre - Chọn AGV có thời gian nhàn rỗi dài nhất

- Chọn AGV ít được sử dụng nhất

Các luật có thể áp dụng cho vehicle initiated:

- Chọn ngẫu nhiên workcentre cho AGV sẵn sàng thực hiện tác vụ

- Chọn workcentre có khoảng cách ngắn nhất so với AGV hoặc thời gian di chuyển của AGV nhỏ nhất

- Chọn workcentre có số lượng tác vụ cần thực hiện nhiều nhất

- First-come-first-serve: Chọn workcentre có yêu cầu thực hiện tác vụ trước

Khi hệ thống đã xác định AGV phù hợp để thực hiện tác vụ, AGV sẽ được hoạch định tuyến đường và lên lịch trình để di chuyển để tránh deadlocks và va chạm

1.2.5 Hoạch định tuyến đường

Hoạch định tuyến đường hay còn gọi là routing có nhiệm vụ xác định các tuyến đường có thể di chuyển cho AGV từ vị trí hiện tại đến vị trí mong muốn Routing được chia thành 2 loại [12]:

- Static algorithm: Tuyến đường sẽ được xác định trước và sẽ luôn được sử dụng khi một AGV mong muốn di chuyển từ điểm 𝑖 đến 𝑗

- Dynamic algorithm: Tuyến đường được xác định dựa trên thông tin thời gian thực vì thế sẽ có nhiều tuyến đường để lựa chọn cho AGV di chuyển

Ngoài ra Dynamic algorithm có thể được thực hiện bằng 2 cách:

- Complete route planning: Lên lịch trình cho toàn bộ tuyến đường di chuyển duy nhất một lần

- Incremental route planning: Tuyến đường được lên lịch trình thành các phân đoạn khác nhau cho đến khi AGV di chuyển đến vị trí mong muốn

Việc lên lịch trình hay còn gọi là scheduling bao gồm thời gian đến và đi của AGV khi đi qua các đoạn đường khác nhau bao gồm các vị trí nhận (pick-up), giao (delivery) hay ở các giao lộ để tránh deadlock và vạ chạm xảy ra

1.3 Mục tiêu, nhiệm vụ và phạm vi luận văn

1.3.1 Mục tiêu của luận văn

Mục tiêu chính của đề tài hướng đến nghiên cứu điều khiển hệ thống vận chuyển có nhiều trạm với mục tiêu cụ thể là thiết kế đường dẫn hướng, ước lượng số lượng phương tiện cần thiết và quy tắc điều phối để kiểm soát hệ thống để đạt được hiệu quả cao nhất và giảm thiểu thời gian hoàn thành công việc

1.3.2 Nhiệm vụ luận văn

- Tìm hiểu các hệ thống vận chuyển nhiều trạm đang được sử dụng - Tìm hiểu tình hình nghiên cứu các đề tài liên quan

- Xây dựng sa bàn ray dẫn đối với một trường hợp cụ thể

- Xác định số lượng phương tiện cần thiết dựa trên nhu cầu vận chuyển hàng hóa và sa bàn đã xây dựng

- Xây dựng giải thuật điều phối công việc để giảm tổng thời gian thực hiện công việc

- Phân tích dữ liệu mô phỏng được để đánh giá kết quả

1.3.3 Phạm vi luận văn

Thiết kế sa bàn cho hệ thống vận chuyển có nhiều trạm thông qua ray dẫn cho nhà kho sắp xếp hàng hóa kích thước 30𝑚 × 20𝑚 Với số trạm trung chuyển là 8 phục vụ

Để quan sát các xe có xảy ra các tình huống va chạm hay không, việc mô phỏng là cần thiết để xác định tính đúng của giải thuật

CHƯƠNG 2: ĐỀ XUẤT MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU 2.1 Tình hình nghiên cứu đề tài liên quan

Hiện nay các đề tài về thiết kế và điều khiển hệ thống AMHS trên đường dẫn thường đề cập tới các 3 vấn đề chính như sau: thiết kế đường dẫn hướng, ước tính số lượng phương tiện và kiểm soát phương tiện trong quá trình vận hành [13]

2.1.1 Thiết kế hệ thống ray dẫn

Đây là vấn đề quan trọng đầu tiên được xem xét khi thiết kế một hệ thống tự hành vì nó phụ thuộc vào không gian, điều kiện bố trí mặt bằng Hơn nữa đây là yếu tố quyết định đến các thuật toán điều khiển vì xác định chiều di chuyển, phương thức giao – nhận hàng hóa của hệ thống

2.1.1.1 Hướng di chuyển

Hướng di chuyển của phương tiện là khả năng di chuyển trên một ray dẫn hướng cụ thể trên một hoặc hai chiều “Unidirectional” là khả năng di chuyển một chiều, phương tiện có thể phải di chuyển một khoảng xa hơn giữa hai điểm nhưng chúng giúp dễ điều khiển và hạn chế được các tình huống xung đột, tranh chấp [14] Ngược lại với những đặc điểm của di chuyển một chiều thì di chuyển hai chiều giúp giảm thời gian di chuyển nhưng đòi hỏi phải kiểm soát được tốt và phải có nhiều đường tránh né để giải quyết các khả năng xung đột và xảy ra va chạm

Một số tiêu chí phổ biến để đánh giá hệ thống dẫn hướng:

- Giảm thiểu quãng đường di chuyển của phương tiện ứng với sa bàn cụ thể [14] - Tổng thời gian di chuyển theo nghiên cứu của Lim và cộng sự (2002)

- Đánh giá hiệu suất của số phương tiện cần thiết trên một sa bàn cụ thể theo Talbot (2003)

Để đạt được các tiêu chí như trên thì kiểu di chuyển là một yếu tố quan trọng Hiện nay các kiểu di chuyển được nghiên cứu gồm:

- “Conventional guide-path”: Các điểm trong hệ thống được nối với nhau, ngoài một hệ thống chính thì còn có các đường đi tắt, điểm giao nhau Hệ thống này đáp ứng khả năng di chuyển một chiều và hai chiều nhưng thông thường hệ thống một chiều được sử dụng phổ biến ở các trạm trung tâm và nhà kho Hệ thống hai chiều ít được sử dụng khi thiết kế hệ thống ray dẫn dạng này vì lý do khi hệ thống lớn sẽ trở nên phức rất phức tạp và khó kiểm soát [15]

- “Single-loop guide-path”: Các trạm chỉ là một vòng lặp mà không có đường đi tắt Bởi vì các phương tiện di chuyển trong một vòng khép kín vì thế chủ yếu sử dụng hệ thống di chuyển một chiều Và thông lượng của loại này thấp hơn so với “Conventional guide-path”, muốn đạt được thông lượng như “Conventional guide-path” sẽ yêu cầu số lượng phương tiện nhiều hơn [16]

- “Tandem guide-path”: là một hệ thống gồm nhiều “Conventional guide-path” và “Single-loop guide-path” được kết nối với nhau thông qua một trạm chuyển Một phương tiện di chuyển trong một vòng Có thể phải sử dụng nhiều phương tiện

Hình 2.4 Tandem guide-path

tương ứng với nhiều vòng để di chuyển tới vị trí đích Và yêu cầu giữa các vòng phải có các trạm trung chuyển hàng hóa

Bảng 2.1 Bảng so sánh đặc trưng theo các kiểu ray

Hoạt động khi phương tiện di chuyển theo hai chiều

Bảng ưu, nhược điểm của các dạng trên:

Bảng 2.2 Ưu điểm và nhược điểm các kiểu ray

Conventional - Linh hoạt trong dẫn hướng

di chuyển

- Giảm thiểu quãng đường di chuyển bằng các tuyến thay thế

- Giảm thiểu lỗi hệ thống

- Phức tạp cho việc điều khiển, tránh va chạm

- Khó mở rộng

Tandem - Không xảy ra tình trạng tắc

nghẽn trong một nhóm - Dễ dàng mở rộng

- Hiệu suất cao khi di chuyển cả hai hướng

- Cần nhiều trạm trống và trạm chuyển

- Một tác vụ phải được hoàn thành bởi nhiều phương tiện

- Tốn thời gian chuyển giữa các nhóm trạm

2.1.2 Xác định số lượng phương tiện

Ngoài dạng di chuyển là “Tanden” là chỉ 1 phương tiện trên 1 nhóm trạm thì đối với hai dạng còn lại thì việc tính toán số phương tiện cần thiết rất quan trọng vì nó liên quan tới chi phí thi công, chi phí hoạt động và hiệu suất đạt được Để đánh giá vấn đề này các nghiên cứu đã đưa ra các tiêu chí như sau [17]:

(1) Cách bố trí các đường dẫn hướng (2) Vị trí của các trạm

(3) Luật điều phối (dispatching)

Số lượng phương tiện được yêu cầu bị ảnh hưởng bởi các yếu tố khá như luật quản lý, quy tắc điều phối, bố trí đường ray Vậy để ước tính được số lượng phương tiện thì mô phỏng là phương pháp đáng tin cậy đối với các mô hình vận chuyển cần phân tích [17]

- Luật điều phối theo phân cấp: thường được sử dụng trong các ngành sản xuất khi mà quá trình sản xuất ảnh hưởng tới quyết định điều phối

Sau đây là một đề tài nghiên cứu về các quy luật điều phối phương tiện và nhận xét đặc trưng của các quy luật này

Điều phối theo dạng “Static vehicle dispatching”: Trong các quy tắc điều động

phương tiện ở dạng này các quyết định về phân công công việc không được phép thay